汤春俊，许 剑，刘田野，毛水强，吕宇皝，胡 骁

(1.金华送变电工程有限公司,浙江 金华 310016)(2.金华铂腾科技有限公司,浙江 金华 310016)

架空高压输电线路是电力工业的大动脉。随着电网建设的不断推进，架空输电线路越来越稠密，其与河流、电力线路、电信通讯线路、铁路、高速公路(公路)、架空索道、房屋、树木等产生交跨的情况也日益增多，且有进一步复杂化的趋势。为确保建成的输电线路安全运营，在架线施工中完成紧线之后，必须对线路与被跨越物间的垂直净距(以下称交跨距离)进行检测，保证其符合相关规定要求[1-2]。

目前，输电线路与下方被跨越物交跨距离的测量主要依赖人工完成，采用的测量方法包括目测、绳测、经纬仪和全站仪测量等，缺乏统一、客观的作业规范。目测方式完全依靠人的经验判断，存在显著的视觉误差；绳测方式通过人力来抛掷或悬挂测绳，其覆盖的量程小、工作效率低，且很难针对线上的多个待测交跨点进行逐一挂绳测量；使用经纬仪和全站仪测量虽测量结果精确度高，但携带不便，也不能在日常野外检查中进行测量。以上测量手段均无法摆脱对观测人员的主观视觉判断的依赖，必然会产生偏差，且无法在可视度差的情况下开展工作，直接受气候情况的制约[3-5]。

为解决人工方式进行交跨距离检测所存在的问题，本文研制了一套交跨距离自动检测系统，该系统可在线检测并记录输电线路下方被跨越物的具体位置及其与输电线路的距离，获取客观可信的检测数据，显著提高检测过程的智能化与自动化。

1 基于激光雷达的交跨距离自动检测系统的原理与组成

1.1 激光雷达用于交跨距离的自动检测

在实际环境中，相邻两铁塔之间的导线下方可能存在一个或多个被跨越物，物体的形状不一，且每个交跨点的具体位置在开展检测工作之前并非已知。为实现交跨距离检测过程的自动化，可使激光雷达沿着空中导线移动，同时对导线下方的被跨越物进行全程扫描测距并记录检测结果。采用移动的激光雷达对交跨距离进行自动检测的方法如图1所示。

图1 激光雷达检测交跨距离示意图

激光具有良好的抗干扰能力，且对外界光照条件或目标本身的辐射特性不敏感，可全天候工作。本文所用的激光雷达采用脉冲测距技术来迅速获取与目标的距离，还可结合计时来检测目标相对于雷达的运动速度。工作时，激光雷达的发射元件向目标射出激光束，接收元件接收从目标反射回的激光束，则测得的距离D=ct/2，其中c为光速，时间t通过计时器累加脉冲发出和收到脉冲这段时间内的脉冲个数得到[6-10]。

1.2 自动检测系统的组成

交跨距离自动检测系统的组成如图2所示。自动检测系统包括地面控制站与空中移动检测站两部分。空中移动检测站包括自行走小车搭载激光雷达模组、无线通讯模组以及其他备选检测功能模组。地面控制站是一个便携式控制箱，内含工控计算机、人机操控与无线通讯模组。

图2 交跨距离自动检测系统的组成

移动检测站可在导线上自驱行走、停止，通过无线通讯接收地面控制站发来的控制指令，并将激光雷达检测到的交跨距离数据实时发送到地面控制站的工控计算机进行数据处理、显示及存储。

移动检测站可搭载各种备选功能模组来提高地面控制站的信息获取能力与操控便利性。如视频监控信号传输至地面控制站的显示终端，协助作业人员即时观察移动检测站附近的输电线及被跨越物的情况；利用GPS定位功能则可实时提供检测站当前位置，从而提供每个交跨点的位置信息。

2 交跨距离自动检测系统关键功能开发

2.1 激光雷达及参数指标

检测系统在实际工作时，激光雷达在高空输电线上受风力影响易产生摇晃、抖动。为确保在动态环境下激光雷达仍可有效“捕捉”被跨越物，要求激光雷达需具备较高的扫描频率。本文系统选用的激光雷达为上海申稷光电的FS-030型激光雷达，其适用于室外环境作业，扫描频率可达2 000Hz，量程30m内可达到±3cm的重复精度。

2.2 激光雷达扫描频率的优化配置

架空输电线路下方的被跨越物在垂直方向的投影面积存在很大差异，比如，导线下方建筑物的投影面积远大于其他交叉走向的导线。为使检测系统适用于各种真实工况，移动中的激光雷达应能“捕捉”到投影面积最小的被跨越物，即要求激光雷达在经过被跨越物时可完成足够多次数的测距。

若被跨越物体在雷达扫描方向的投影宽度为d，激光雷达的移动速度为v，则雷达经过被跨越物所经历的时长t1为：

设定雷达在被跨越物上所需完成的最少测距次数为M，则所需的激光扫描频率需大于F：

例如，当被跨越物为交叉走向的导线，导线直径仅为d=2cm，激光雷达的行进速度v为50cm/s，取M=30，则激光雷达扫描频率应大于F，F=750Hz。通过以上试算结果，并赋予系统一定的裕度，可将扫描频率设为1 000Hz。

2.3 激光雷达检测数据的预处理

2.3.1 原始数据的滤波降噪

激光雷达是一个较复杂的光电子系统，工作时其电子与信号系统会受到噪声干扰，且目标物体的光反射特性会产生检测误差。由于各种干扰与误差的来源及程度不易界定，本文为控制检测数据质量，将通过测距试验、观察检测数据特征来选用合适的滤波处理方法。

为了对激光雷达的测距精度进行评估，将激光雷达对准远处一静止不动的目标物体，激光雷达也保持静止状态，即激光雷达相对目标物体的距离保持固定不变。

图3为测距实验中获得的样本数据，可以看出大部分距离值接近雷达与被测物的真实距离，而少量数据点的距离值其误差显著超出了激光雷达精度指标允许的范围(±3cm)。试验中超出雷达精度指标范围的数据点持续出现，且其数值变动及出现的时间间隔不一，缺乏线性特征。

为提高检测数据的质量，尝试用较常用的滤波算法对数据进行处理并评估效果[11-13]。

图3 原始样本数据

图4(a)、(b)分别为样本数据采用移动均值与移动众数滤波两种算法处理后的输出结果。两种方法均采用连续N个采样点的队列，在新的一次采样后，将队列首数据去掉，其他(N-1)个采样点依次前移，并将新的数据插入作为队尾，然后对此队列进行运算得出本次检测的结果。假设输入为X，输出为Y，当前采样点的序号为n，则运算方法为：

图4 样本数据经过滤波处理后的结果

1)移动均值滤波。

2)移动众数滤波。

统计当前N个采样点的队列元素中出现次数最多的数值(众数)作为运算输出。如果众数不存在，则取队列的中位数输出；如果有两个及以上的众数，则对其求平均值后输出。

本例中取N=30。通过对比可见，样本数据在经过移动众数滤波后距离值的波动明显降低，而时延不超过50ms。

2.3.2 雷达检测数据的预处理

由于激光雷达在交跨距离检测过程中持续作业，获取的实时数据量较大，原始数据经过滤波后并未缩减数据量。为减少系统对无线通讯信道传输速率的要求并降低通讯误码率，进一步对已滤波的检测数据进行预处理。数据预处理方法的设计必须考虑该检测系统的如下特点与功能需求：

1)对一个被跨越物，其交跨距离是被跨越物与激光雷达之间的最小距离；

2)不减弱激光雷达对投影面积很小的被跨越物所具备的“捕捉”能力。

根据以上要求，拟对检测数据进行分段预处理：

1)结合雷达扫描频率与行进速度，定义一个m值，m为该段所含的数据点个数；

2)移动检测站累计激光雷达提供的数据点个数，计满m个即从中取最小值，作为处理后的距离值，并通过无线通讯传输至地面控制站。随后，进行下一个段的累计与处理。

3)地面控制站的软件中设定一个“待检区”，其大小可根据验收规范与具体输电线路的规格来确定。例如，设定输电线路下方6m以内作为“待检区”，若在区域内出现有效的距离值，则认为激光雷达“捕捉”到了被跨越物并在人机界面上显示捕获状态及距离值；未进入“待检区”的距离值则作无效数据处理。

通过扫描试验的数据结果分析，结合对被跨越物进行 “捕捉”的实时性与距离检测的准确度，合理选定m值。本例中，激光雷达扫描频率为1 000Hz, 雷达的行进速度v为50cm/s，对距离4.3m远处直径为2cm的导线进行扫描，重复扫描试验20次。图5所示为m=200时每次扫描输出的距离值，与人工检测得到的数据分析比较得知，检测结果具有较好的重复精度与准确度。

运用以上数据预处理方法后，无线通讯数据传输速率仅需300bps即可满足系统工作的要求。

图5 扫描测距的重复试验

2.4 无线通讯的双链路设计

在架线施工现场两相邻铁搭之间的跨距可达数百米甚至上千米，移动检测站与地面控制站之间无线通讯链路的可靠性直接关系到小车能否处于受控状态并将检测结果准确传输到地面控制站。为此，采用以下3项措施来确保通讯链路的可靠性：

1) 移动检测站采用2.3.2所述方法，只传输预处理后的检测数据，这样可显著降低信道传输速率及对无线信号发射功率的需求，减少误码率与延时。

2) 无线通信报文协议采用CRC16码进行差错校验。

3) 采用无线串口通讯(无线电台)与移动网络通信双链路设计，且实行分时作业来确保通讯链路始终有效。具体功能实现上，系统对无线串口链路进行持续自检，并在其失效情况下切换为移动网络链路，如图6所示。

图6 无线通讯链路的持续自检与处理

无线串口链路使用简便且成本低，在近距离时有效；当移动检测站与地面控制站的距离超出无线串口链路的有效通讯距离时，软件激活基于2G/4G移动网络的数据传输单元(DTU)，从而确保无线通讯链路持续有效。

3 交跨距离自动检测系统的样机功能验证

基于本文所述的系统原理与设计，交跨距离自动检测系统的功能样机已完成研制，样机如图7所示。

图7 交跨距离自动检测系统功能样机

如图7(a)所示，移动检测站的主控制器采用基于STM32的嵌入式软硬件，通过串行通讯方式来控制激光雷达的数据采集并对数据进行处理，主控制器同时通过串行通讯方式管理其他功能模块。如图7(b)所示，地面控制站采用美国国家仪器公司(National Instruments)的虚拟仪器平台LabVIEW来开发上位机软件与人机界面，并实现自行走小车的无线遥控、交跨距离检测结果的接收与显示、存储与报表输出等功能。人机界面可设置“待检区”大小、数据记录间隔等参数，并可实时显示交跨点的捕捉状态与距离数值。

该检测系统的功能与性能在如下试验中得到了验证：移动检测站在1条架空输电线路的导线上运行，下方的被跨越物为另3条专门架设的直径为3cm的试验导线，且其走向与其上导线近似垂直交叉。地面控制站的人机界面显示移动检测站“捕捉”到了下方的每一条导线且提供了可信的交跨距检测结果。

4 结束语

架空输电线路与被跨越物之间的交跨距离是线路施工的一项重要指标，当前的人工观测方式存在较多弊端。本文将激光雷达扫描测距技术用于交跨距离的检测，设计并研制了一套在线自动检测系统，并通过参数的优化配置与数据处理来确保检测质量。新研制的检测系统满足了交跨距离检测的准确度与实时性需求，可进行全过程自动检测与记录，为架空电力线路的施工与验收提供了高效的检测与质量控制工具，具有较好的推广应用价值。下一步的工作重点是提升自动检测系统的环境适应能力与可靠性，并进一步优化人机操作体验。